喻 尚， 楊 艷， 張正軒， 黃 娜

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院， 陜西 西安 710200）

時(shí)代更替，智能化汽車成為各大汽車主機(jī)廠研發(fā)的重點(diǎn)，而實(shí)現(xiàn)智能化關(guān)鍵技術(shù)就是互聯(lián)/無(wú)線通信。雖然無(wú)線通信技術(shù)很早在汽車領(lǐng)域應(yīng)用，但淺嘗輒止。智能車輛讓無(wú)線通信技術(shù)再一次深耕汽車領(lǐng)域。本文分析各種無(wú)線通信技術(shù)，作為開發(fā)安全智能汽車的技術(shù)支撐，以便更好研究和應(yīng)用。

1 無(wú)線通信

電磁波是由同向且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中衍生發(fā)射的震蕩粒子波，具有波粒二象性，如圖1所示。由同相振蕩且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中以波的形式移動(dòng)，其傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的平面。電磁波符合以下公式：

圖1 電磁波

式中：c——光速（也是電磁波速度），m/s；f——信號(hào)頻率，Hz；λ——信號(hào)波長(zhǎng)，m。

電磁波的不同的頻段劃分［1］見表1。

由于頻度范圍和波長(zhǎng)范圍都很廣的特點(diǎn)，主要對(duì)低/中頻、藍(lán)牙、5G、DSRC及UWB等通信技術(shù)進(jìn)行車載應(yīng)用分析。

2 應(yīng)用技術(shù)淺析

2.1 低/中頻通信應(yīng)用

低頻技術(shù)應(yīng)用代表主要是汽車防盜和無(wú)鑰匙系統(tǒng)。頻段范圍125～134kHz或更低，主要通過(guò)電感耦合的方式進(jìn)行工作，即通過(guò)讀寫線圈和感應(yīng)線圈間變壓器耦合作用實(shí)現(xiàn)通信。低頻傳輸數(shù)據(jù)量特別小，因此應(yīng)用場(chǎng)景功能簡(jiǎn)單。

中頻技術(shù)的產(chǎn)品應(yīng)用主要有汽車遙控鑰匙，主要范圍315～433MHz，技術(shù)已經(jīng)很成熟，原理和低頻類似，不過(guò)多贅述。

車載化優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，且設(shè)備成本低。車載化缺點(diǎn)：①發(fā)射頻率低，易被干擾以及被破解；②不滿足大數(shù)據(jù)量通信需求。

表1 頻段 （波段） 名稱及范圍

2.2 高頻通信應(yīng)用

2.2.1 藍(lán)牙通信

藍(lán)牙是一種短距離高頻的無(wú)線通信技術(shù)，主要頻段在2.4～2.485GHz，主要是由底層硬件、中間協(xié)議和高層應(yīng)用組成模塊。藍(lán)牙技術(shù)有可一配多、頻段全球通用、可自動(dòng)傳輸以及安全性/抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。傳輸距離隨著藍(lán)牙換代升級(jí)，已有支持100m范圍或更高的性能出現(xiàn)。

車載化優(yōu)點(diǎn)：①協(xié)議支持一對(duì)多，頻段通用，協(xié)議安全可靠且成本低廉；②已實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙免提通信、車載藍(lán)牙娛樂(lè)、藍(lán)牙遠(yuǎn)程診斷和藍(lán)牙防盜技術(shù)，有技術(shù)拓展優(yōu)勢(shì)。車載化缺點(diǎn)：通信距離增加和發(fā)射功率有關(guān)，通信定位誤差大。

2.2.2 移動(dòng)通信

高頻技術(shù)應(yīng)用代表是手機(jī)通信以及發(fā)展中的車聯(lián)通信技術(shù)。以5G移動(dòng)通信技術(shù)為代表，根據(jù)國(guó)際頻段劃分，中國(guó)的5G主要頻段為2.5～4.9GHz。5G通信側(cè)重于數(shù)據(jù)量的傳輸、大量節(jié)點(diǎn)同時(shí)通信時(shí)系統(tǒng)可靠性。因此我們需要了解香農(nóng)公式［1］：

式中：B——頻譜帶寬，Hz；S——信號(hào)功率；N——噪聲功率；C——最大傳輸速率，bit/s。

由公式（2） 可知，提升B或增加S/N都可以實(shí)現(xiàn)速率C的提升，結(jié)合公式（1） 和表1頻段劃分，得出高速率、大數(shù)據(jù)量通信的代價(jià)需要增加通信基站的數(shù)量。

5G新型微基站的誕生已解決第1步關(guān)鍵問(wèn)題，而5G的推廣應(yīng)用也推進(jìn)了微基站被大量布置覆蓋，這樣就為智能汽車通信提供天然的通信平臺(tái)。此外，被定義為6G的太赫茲技術(shù)也已突破，中國(guó)已發(fā)布太赫茲芯片，超高頻、超大容量的通信性能也備受期待。

車載化優(yōu)點(diǎn)：①通信容量大、速率高；②借用通信基站，低成本實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)。車載化缺點(diǎn)：新通信基站的覆蓋切換存在一定社會(huì)接受度阻力。

2.2.3 DSRC通信

DSRC是專用短距離通信 （Dedicated Short Range Communications，DSRC），可實(shí)現(xiàn)在特定小區(qū)域內(nèi) （通常數(shù)十米） 對(duì)高速運(yùn)動(dòng)下移動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別和雙向通信。主要頻段5.86～5.925GHz。

DSRC由OBU （on-board unit）、RSU （road-side unit）和專用通信鏈路組成。DSRC通信協(xié)議是為OBU和RSU之間通信交互而制定，分別由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層組成。 OBU和RSU之間上行鏈路和下行鏈路的交互通信框架如圖2所示。結(jié)合通信需求DSRC以定點(diǎn)被動(dòng)傳輸通信為例，通信流程可分為建立連接、信息交互和連接釋放3個(gè)基本過(guò)程［2］。

圖2 DSRC結(jié)構(gòu)圖

車載化優(yōu)點(diǎn)：通信速率高以及通信延遲低等特點(diǎn)，已被廣泛用于ETC系統(tǒng)中。車載化缺點(diǎn)：①RSU安裝布置問(wèn)題：需在道路旁進(jìn)行RSU布置，安裝數(shù)量、距離以及抗擾能力均有要求；②設(shè)備布網(wǎng)問(wèn)題：DSRC技術(shù)需大量載體平臺(tái)。

2.2.4 UWB通信

UWB （Ultra Wide band，超寬帶） 是一種不需要使用載波，而是依靠持續(xù)的、時(shí)間非常短的基帶脈沖信號(hào)（通常情況下） 傳輸數(shù)據(jù)通信技術(shù)。具有隱蔽性好、抗噪聲抗干擾能力強(qiáng)、多徑分辨率高、穿透能力強(qiáng)、功耗低、頻帶寬以及通信定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

UWB是一種占空比很低沖擊脈沖，占比低達(dá)0.5%，可看成基帶信號(hào)。脈沖是單周期高斯脈沖，可映射為數(shù)百個(gè)脈沖，如圖3所示。有很寬的頻譜，單周期脈沖寬度在ns級(jí)，頻率范圍在3.1～10.6GHz。UWB作為一種新型的通信技術(shù)，在多點(diǎn)定位方面的優(yōu)異特性，滿足日常車輛近程應(yīng)用場(chǎng)景，定位原理如圖4所示。

圖3 超寬帶波形示意圖

圖4 定位原理示意圖

實(shí)現(xiàn)方式是把傳輸信息和一組重復(fù)周期的脈沖序列進(jìn)行一定方式的調(diào)制，驅(qū)動(dòng)放大，再耦合到天線發(fā)出去；在接收端UWB天線接收信號(hào)經(jīng)濾波解調(diào)運(yùn)算，恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

車載化優(yōu)點(diǎn)：①通信容量大、速率高、延遲和誤碼率低；②定位誤差低。車載化缺點(diǎn)：①芯片成本較高；②部分信道已被占用，但短距離通信可用。

3 總結(jié)

無(wú)線通信技術(shù)作為未來(lái)汽車不可或缺的一種技術(shù)，快速、準(zhǔn)確、可靠以及低成本等要素是檢驗(yàn)該技術(shù)是否能夠應(yīng)用于汽車、智能車聯(lián)的重要指標(biāo)。原則如下。

1） 無(wú)線通信技術(shù)滿足智能車聯(lián)的通信大容量和快連接切換要求。

2） 無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化車載芯片或擴(kuò)拓展芯片是推廣應(yīng)用的重要因素。

3） 無(wú)線通信技術(shù)避免通信信道頻段的干擾以及滿足車載EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)比上述幾種無(wú)線通信技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，具有遠(yuǎn)程大容量通信的5G技術(shù)和近程高準(zhǔn)確的UWB通信技術(shù)結(jié)合，將最終成為未來(lái)車載無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)。如車輛外部信息感知簡(jiǎn)圖5，兩種無(wú)線通信技術(shù)將會(huì)在車輛的外部信息感知系統(tǒng)中有不可或缺地位。

圖5 單/多車輛外部信息感知簡(jiǎn)圖